Themen für Arbeiten

Am Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik sind verschiedenste Themen für Hauptseminar-, Projekt-, Bachelor und Masterarbeiten zu vergeben. Die Arbeiten richten sich an Studierende der Fachrichtungen Werkstoffingenieurwesen, Rohstoffingenieurwesen, Umweltingenieurwesen, Wirtschaftsingenieurwesen, Maschinenbau/Verfahrenstechnik, Physik oder Informatik. Die Arbeiten können in der Regel durch Aufteilung der Themengebiete sowohl als kleinere Arbeiten (Bachelor, Seminar-/Projektarbeit) wie auch als Masterarbeit angefertigt werden.

Arbeitsgruppe Industrieofentechnik

letzte Aktualisierung: 17.06.2021

Methode zur experimentellen Bestimmung von Emissionsgraden beliebiger Oberflächen

In vielen industriellen Prozessen wird Wärme von einer Quelle (z.B. elektr. Heizelemente) auf das zu erwärmende Gut übertragen. Von den insgesamt drei möglichen Wärmeübertragungsmechanismen spielt bei Prozessen mit Temperaturen über 800 °C die Wärmestrahlung eine dominierende Rolle. Die dabei von der Quelle und dem Gut ausgetauschte Strahlung wird auch Festkörperstrahlung genannt und ist definiert als der Strahlungsaustausch zwischen Oberflächen. Entscheidend sind dabei die Materialeigenschaften der Oberflächen, wobei die wichtigste der Emissionsgrad ist. Der Emissionsgrad gibt an, welche Strahlungsintensität eine Oberfläche, verglichen mit einer idealisierten thermischen Strahlungsquelle (schwarzer Strahler) abgibt. Der Emissionsgrad einer Oberfläche ist neben dem verwendeten Material auch von der Richtung und Wellenlänge der emittierten Strahlung abhängig.

Für die mathematische Modellierung von Prozessen ist die Kenntnis des Emissionsgrades von enormer Bedeutung. Dieser wird notwendig um den Strahlungsaustausch der Oberflächen real abzubilden.

In dieser Arbeit wird eine Methode zur Bestimmung der Emissionsgrade beliebiger Oberflächen entwickelt. Dabei steht die Anforderung im Vordergrund, dass die Methode im Rahmen eines experimentellen Aufbaus realisierbar sein sollte. Dazu werden die unterschiedlichen Möglichkeiten der Emissionsgradbestimmung erörtert und darauf basierend eine geeignete Methode entworfen. Diese wird im Anschluss mathematisch modelliert. Die Ergebnisse werden eingeordnet und eine Bewertung der entwickelten Methode schließt sich an.

Kern der Arbeit ist die Entwicklung einer Methode zur experimentellen Bestimmung der Emissionsgrade beliebiger Oberflächen. Dabei gliedert sich die Arbeit in folgende Hauptarbeitsschritte und Unterthemen:

  • Möglichkeiten der Emissionsgradbestimmung
  • Entwicklung einer geeigneten Methode zur experimentellen Bestimmung von Emissionsgraden
  • Mathematische Modellierung dieser Methode
  • Einordnung und Bewertung der entwickelten Methode

PDF: Methode zur experimentellen Bestimmung von Emissionsgraden beliebiger Oberflächen

Kontakt: Büschgens

Bestimmung der Spraycharakteristik an Einzeldüsen und Düsenfeldern

Die Produktion von hochfestem metallischem Bandmaterial erfordert eine rasche Abkühlung des Mate-rials während der Wärmebehandlung. Die benötigten Abkühlraten können häufig nur mit Hilfe von Was-serkühlungen erreicht werden. Dazu werden Sprühdüsen verwendet, die das Wasser zerstäuben bevor damit die Bandoberfläche beaufschlagt wird. Durch diese Wasserbeaufschlagung entsteht eine kom-plexe Strömung auf der Bandoberfläche, die die Wärmeabfuhr aus dem Band beeinträchtigt. Damit keine Temperaturinhomogenitäten entstehen, die wiederrum zu Wellen und Beulen führen können, muss die Strömung auf der Oberfläche so gezielt wie möglich eingestellt werden. Allerdings ist eine genaue Kenntnis der Strömung auf der Bandoberfläche im Sprühdüsenfeld aktuell nicht vorhanden.
Ziel der Arbeit ist es die Sprüheigenschaften von Düsen in Düsenfeldern zu untersuchen, um einen Beitrag zum besseren Verständnis der Düsenfelder zu leisten. Dabei soll vor allem die Wechselwirkung zwischen mehreren Düsen im Fokus stehen. Ausgangspunkt dafür ist ein Verständnis der Sprühcharak-teristik einer einzelnen Düse. Letztendlich soll im Rahmen der Arbeit ein Modell entwickelt werden mit dem es möglich wird die Sprühcharakteristik eines Düsenfelds vorherzusagen.
In dieser Arbeit sollen daher Versuche an einem speziellen Versuchsstand (sog. Patternator) durchge-führt werden, mit dem die Beaufschlagungsdichte bestimmt werden kann. Zunächst werden dazu Ver-suche an einzelnen Düsen durchgeführt. Anschließend erfolgt die Bestimmung der Beaufschlagungs-dichte in Düsenfeldern. Im Anschluss an die Versuche werden die Ergebnisse für die Düsen und Dü-senfelder miteinander und mit Literaturdaten verglichen. Zuletzt soll ein Modell entwickelt werden, mit dem bei der Kenntnis des Sprühverhaltens einer Einzeldüse, auf das mögliche Sprühbild im Düsenfeld geschlossen werden kann.

PDF: Bestimmung der Spraycharakteristik an Einzeldüsen und Düsenfeldern

Kontakt: Hof

Entwicklung eines vereinfachten CFD-Modells zur effizienten Abbildung eines Abgasrekuperators

Die Steigerung der Energieeffizienz ist in der Thermoprozesstechnik von entscheidender Bedeutung. Abgasverluste stellen in erdgasbefeuerten Anlagen den größten Energieverlust dar. Zur Nutzung der im Abgas enthaltenen Wärme werden Abgasrekuperatoren verwendet. Diese werden dezentral an jedem Brenner verbaut und übertragen die im austretenden Abgas enthaltene Wärme auf die zugeführte Verbrennungsluft. Zur Erhöhung des Wärmeübergangs wird die Rekuperator-Oberfläche mit Rippen oder Noppen vergrößert. Die Abbildung dieser komplexen Geometrie in einer numerischen Strömungssimulation (CFD) ist mit einem erheblichen Rechenaufwand verbunden. Gleichzeitig macht der maßgebliche Einfluss der Luftvorwärmung auf die anschließende Verbrennung die vollständige Abbildung des Rekuperators in numerischen Simulationen von Rekuperatorbrennern notwendig.

Vor diesem Hintergrund wurde in einer vorausgehenden Abschlussarbeit ein vereinfachtes Modell eines Rippenrekuperators entwickelt. Das Modell ermöglicht die Nachbildung der Wärmeübertragung eines detaillierten Modells mit geringer Abweichung bei gleichzeitiger Reduktion des Rechenaufwands um über 95%.

In dieser Arbeit soll ein ähnliches Simulationsmodell für einen Noppenrekuperator entwickelt werden. Das Modell soll die Berücksichtigung des Rekuperators in einem Simulationsmodell eines Prüfstands ermöglichen, der für ein aktuelles Forschungsprojekt aufgebaut wird. Im ersten Schritt der Arbeit wird dafür ein detailliertes Simulationsmodell eines Noppenrekuperators aufgestellt. Basierend auf den Ergebnissen dieses Modells soll danach ein Modellierungskonzept entwickelt und umgesetzt werden, das die Berechnung der Strömung und Wärmeübertragung im Rekuperator mit einem möglichst geringen Rechenaufwand ermöglicht.

Neben der Erweiterung des Modells auf eine andere Rekuperator-Geometrie sind weitere Ergänzungen des Arbeitsumfangs möglich. In Abhängigkeit deiner Interessen und den Anforderungen der Abschlussarbeit lässt sich der Inhalt der Abschlussarbeit flexibel anpassen. Bei Interesse kannst du dich gerne unter den angehängten Kontaktdaten melden und wir können die Inhalte und den Ablauf der Arbeit abstimmen.

PDF: Entwicklung eines vereinfachten CFD-Modells zur effizienten Abbildung eines Abgasrekuperators

Kontakt: Dinsing

Ökologische Bewertung des CO2-Fußabdrucks für den Betrieb von Thermoprozessanlagen und Industrieöfen in der Metall und Mineralindustrie

Ausgangssituation:

Im Rahmen des Klimaschutzplans 2050 der Bundesregierung sollen die Treibhausgasemissionen in Deutschland bis 2050 um 80 bis 95% unter das Niveau von 1990 gesenkt werden. Dies erfordert eine weitreichende Dekarbonisierung, wofür der Beitrag der Industrie in Form von stark reduzierten Emissionen unabdingbar ist. Dies betrifft den Betrieb von Thermoprozessanlagen und Industrieöfen in besonderem Maße. Hierbei ist die Ermittlung des CO2-Fußabdrucks für Herstellung von Produkten von zunehmender Bedeutung. Darin spielen Industrieöfen und Thermoprozessanlagen einer entscheidenden Rolle. Entsprechend sind diese ökologisch zu bewerten.

Dabei ist zu einen die Erzeugung von Prozesswärme in Thermoprozessanlagen sehr anwendungsspezifisch und richtet sich nach den besonderen Gegebenheiten und Anforderungen der unterschiedlichen Produktionsprozesse und eingesetzten Energieträgern. Zum anderen sind Herstellungsprozesse durch komplexe Prozess- und Lieferketten geprägt, welche berücksichtig werden müssen.

Zielsetzung:

Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Methodik für die Bestimmung des CO2-Fußabdrucks im Rahmen einer Ökobilanz (Life Cycle Assessment, kurz LCA) für den Betrieb von Thermoprozessanlagen als Teil eines spezifischen Herstellungsprozesses für Produkte aus der Metall- und Mineralindustrie entwickelt und angewendet. Dabei werden anlagenspezifische Restriktionen mit dem notwendigen technischen Sachverstand berücksichtigt. Es stehen u. a. die folgenden Branchen im Fokus:

Metallindustrie: Stahl, NE-Metalle, Gießereiwesen, Schmieden, Härtereitechnik

Mineralindustrie: Glas, Keramik, Kalk, Zement

Unterthemen und Umsetzung:

Kern der Arbeit ist die Erstellung einer Ökobilanz nach den internationalen Normen DIN EN ISO 14040 und 14044. Diese umfasst hierbei insbesondere die Herstellung und den Betrieb von Thermoprozessanlagen. Dabei gliedert sich die Arbeit in folgende Hauptarbeitsschritte und Unterthemen:

Datenerfassung für die zu betrachtenden Anlagen

Datenauswertung und Bestimmung des anlagenspezifischen CO2-Fußabdrucks

Gegenüberstellung und Vergleich der anlagenspezifischen Ergebnisse

Einordnung und Bewertung der Ergebnisse im Kontext der Energiewende

Zentrales Ziel der Ökobilanz ist hierbei die Bestimmung des spezifischen CO2-Fußabdrucks der betrachteten Thermoprozessanlagen für den Betrieb über die Lebenszeit. Dies beinhaltet eine detaillierte Erfassung der Produktionsdaten, Lieferketten und den damit verbundenen CO2-Emissionen sowie der wesentlichen Material-, Stoff- und Energieflüsse inkl. zeitlicher Verläufe der Prozesse und Tages- und Jahreslaufdauern der Thermoprozessanlagen. Die Datenerfassung erfolgt im engen Austausch mit entsprechenden Kooperationspartnern.

PDF: Ökologische Bewertung des CO2-Fußabdrucks für den Betrieb von Thermoprozessanlagen und Industrieöfen in der Metall und Mineralindustrie

Kontakt: Dr.-Ing. Schwotzer

CFD-Simulationen zur Erzeugung von Synthesegas mittels partieller Oxidation von Erdgas

Synthesegase bestehen hauptsächlich auch Kohlenstoffmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) und werden unter anderem für unterschiedliche Syntheseprozesse (z.B. Ammoniaksynthese) und die Erzeugung von Wasserstoff verwendet. Eine Möglichkeit zur Erzeugung von Synthesegas ist die partielle Oxidation.

Bei der partiellen Oxidation von Erdgas wird ein Brennstoff-Luft-Gemisch unterstöchiometrisch (λ < 1), also unter Luftmangel, verbrannt. Dabei findet eine unvollständige Umsetzung des Brennstoffes statt und es entstehen als Hauptprodukte CO und H2, da eine Weiterreaktion zu CO2 und H2O aufgrund des Luftmangels nicht möglich ist.

Der Fokus der Arbeit liegt auf der Recherche zu Reaktionsmechanismen, die für die Abbildung der unterstöchiometrischen Verbrennung geeignet sind, sowie deren Implementierung in einem CFD-Modell. Reaktionsmechanismen werden benötigt, um die bei der numerischen Verbrennungssimulation auftretenden Spezies zu berücksichtigen. Dies ist neben der Wahl eines passenden Turbulenz-, Strahlungs- und Verbrennungsmodells von großer Bedeutung, um eine adäquate Lösung zu erlangen.

Ziel der Arbeit ist es, an einem (bestehenden) CFD-Modell unterschiedliche Reaktionsmechanismen für die unterstöchiometrische Verbrennung von Erdgas zu implementieren und nach selbst erarbeiteten Kriterien zu bewerten. Dazu ist eine intensive Literaturrecherche zu Reaktionsmechanismen und den validierten Bereichen notwendig.

PDF: Numerische Untersuchungen zur Erzeugung von Synthesegas mittels partieller Oxidation von Erdgas

Kontakt: Giesler

Experimentelle Untersuchung des Schwingungsverhaltens eines Querstromventilators

Im Rahmen eines IGF-Projekts soll am IOB ein Querstromventilator mit erhöhter thermomechanischer Belastbarkeit entwickelt werden. Dieser soll dem Einsatz in Thermoprozessanlagen zur Wärmebehandlung von Aluminiumwerkstoffen bis zu einer Temperatur von 500 °C standhalten. Im Rahmen dessen ist das Schwingungsverhalten von Querstromventilatoren in den Fokus des Interesses gerückt, da insbesondere Eigenschwingungen zu einem frühzeitigen Versagen des Querstromläufers führen können.

Basierend auf dem in einem vorherigen Projekt dokumentierten Versagensfall eines Querstromläufers und den bisherigen numerischen Untersuchungen soll diese Masterarbeit helfen, die Vorgänge zu verstehen, die zu einem frühzeitigen Versagen aufgrund von Eigenschwingungen führen können. Zudem sollen wichtige Erkenntnisse zur Konstruktion eines thermomechanisch stabilen Querstromläufers gewonnen werden. Der zur Untersuchung des Querstromläufers notwendige Heißversuchsstand ist bereits vorhanden.

Kontakt: Hauch

Anwendung eines empirischen Modells zur Berechnung der Temperatur von SHR anhand realer Prozessdaten

Strahlheizrohre (SHR) werden in Industrieöfen eingesetzt, um die Verbrennungsgase von der Ofenatmosphäre zu trennen. Die SHR sind im Betrieb jedoch einer hohen thermischen und mechanischen Belastung ausgesetzt, welche oft im vorzeitigen Ausfall der Rohre resultiert. Grund hierfür sind v. a. thermische Spannungen, die durch die inhomogene Temperaturverteilung an der Oberfläche des Rohres entstehen und zu plastischen Verformungen führen. Darüber hinaus werden zeitabhängige Phänomene wie das Kriechen durch die i. d. R. getaktete Fahrweise zusätzlich begünstigt. Um den Einsatz der SHR zu optimieren sind daher ausführliche Messdaten der durchlaufenen Belastungszuständen erforderlich. Diese stehen an der realen Anlage jedoch nur in begrenztem Maß zur Verfügung. Aus diesem Grund werden die nötigen Temperaturdaten anhand verfügbarer Prozessdaten approximiert.
Die Grundlage der Arbeit bildet ein am IOB entwickeltes Simulationsmodell zur Berechnung der Oberflächentemperatur der SHR. Dieses wurde im Rahmen vorheriger Projekte bereits anhand umfangreicher Prozessdaten eines Strahlrohrofens validiert und soll nun zur Berechnung der SHR-Temperaturen einer weiteren Anlage verwendet werden. Im Rahmen dieser Arbeit soll diesbezüglich die anlagenübergreifende Anwendbarkeit des Modells untersucht werden.
Hierzu müssen die verfügbaren Prozessdaten zunächst gesichtet und aufbereitet werden. Daraufhin können die empirischen Modellparameter für die neue Anlage ermittelt werden. Das trainierte Modell soll anschließend zur Berechnung der SHR-Temperaturen eingesetzt werden. Im Rahmen der Auswertung sollen die Simulationsergebnisse beider Anlagen verglichen und etwaige Unterschiede identifiziert werden. Anhand der Auswertung können zudem Verbesserungen des Prozessmodells oder des Optimierungsverfahrens erarbeitet werden.

PDF: Anwendung eines empirischen Modells zur Berechnung der Temperatur von SHR anhand realer Prozessdaten

Kontakt: Reimann

Experimentelle Untersuchungen des Wärmeübergangskoeffizienten für die Schnellkühlung von Bandmaterialien

Zur Effizienzsteigerung im Automotive Bereich werden in der Karosserie Bandmaterialen mit hochfesten Eigenschaften eingesetzt. Dazu zählen AHSS der dritten Generation, UHSS und Aluminium 6xxx Legierungen. Diese Werkstoffe benötigen zum Erreichen ihrer mechanischen Eigenschaften hohe Abkühlraten. Die Abkühlung erfolgt meistens durch konvektiven Wärmeübergang. Gasströmungen bieten dabei maximale Temperaturhomogenität bei gleichzeitig hohen Wärmeübergangskoeffizienten. Zur Erzeugung des Wärmeüberganges wird ein Gas durch einen Ventilator über ein Düsensystem auf das Halbzeug geleitet. Neben der primären Aufgabe des Bandkühlens übernehmen die Düsensysteme weitere Aufgaben wie das aerodynamische Tragen des Bandes. Als Düsen werden daher beliebige Kombinationen aus Rund- und Schlitzdüsen verwendet.

In dieser Arbeit werden Wärmeübergangskoeffizienten experimentell untersucht. Auf widerstandsbeheizten Proben bildet sich aufgrund der Prallströmung eine Temperaturverteilung aus. Diese Temperaturverteilung wird mit einer Infrarotkamera aufgenommen. Aus dem Temperaturfeld kann mittels Energiebilanzierung der Wärmeübergangskoeffizient berechnet werden. Der vorhandene Versuchsaufbau hat eine industrienahe Dimension wodurch sich die Ergebnisse gut auf die Praxis übertragen lassen. Es wird eine Parameterstudie an Düsenfeldern durchgeführt um empirische Formeln zur Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten zu verbessern. Dazu wird die Düsenanordnung, die Fluidgeschwindigkeit und der Bandabstand variiert.

PDF: Experimentelle Untersuchungen des Wärmeübergangskoeffizienten für die Schnellkühlung von Bandmaterialien

Kontakt: Schleupen

Untersuchung des mechanischen Bandverhaltens bei der Abkühlung metallischer Bänder

Aus prozesstechnischer Sicht ist die Aufgabenstellung in der Wärmebehandlung die sichere Kontrolle des Wärmeaustauschs zwischen dem Kühlmedium und der zu kühlenden Oberfläche. Dieser muss zeitlich und örtlich definiert betrachtet werden. Insbesondere für Strukturwerkstoffe aus Stahl oder Aluminium werden hohe Abkühlraten benötigt, um die geforderten mechanischen Eigenschaften zu erreichen. Werden metallische Bänder mit hohen Geschwindigkeiten abgekühlt, entstehen durch gekoppelte thermische und metallphysikalische Prozesse Spannungen, die ab kritischen Bedingungen zur Bandverformung führen. Diese Verformung äußert sich in Form von Falten und Beulen auf dem Halbzeug und führt im schlimmsten Fall zum Ausschuss des Produktes. Die Wärmebehandlung ist einer der letzten Schritte in der Wertschöpfungskette von metallischen Halbzeug, weswegen Ausschuss in diesen Bereichen ökonomisch besonders zu vermeiden ist. Aktuelle Werkstoffentwicklungen fordern höchste Abkühlraten und sind durch die hohen Festigkeiten schwieriger zu richten.

In dieser Arbeit wird der kommerzielle FEM Solver Abaqus verwendet, um zunächst die Bandspannungen und schließlich die Bandverformung zu berechnen. Die Berechnungen sollen anhand von Messdaten in Zusammenarbeit mit thyssenkrupp Rasselstein validiert werden.

PDF: Untersuchung des mechanischen Bandverhaltens bei der Abkühlung metallischer Bänder

Kontakt: Schleupen / Büschgens

Entwicklung und Implementierung einer Regelung am Glühsimulator zur Untersuchung des Wärmeübergangskoeffizienten bei verschiedenen Drücken

Die steigenden Anforderungen der Automobilindustrie fordern eine Anpassung der Werkstoffkonzepte. Im Bereich der für den Bau der Karosserie verwendeten Bandmaterialen wird zunehmend auf Werkstoffe mit hochfesten Eigenschaften gesetzt, hierzu zählen AHSS der dritten Generation, UHSS und Aluminium 6xxx Legierungen. Diese Werkstoffe benötigen zum Erreichen ihrer mechanischen Eigenschaften neue Wärmebehandlungskonzepte. Einer der limitierenden Faktoren bezüglich der maximalen Festigkeit und dem Durchsatz in kontinuierlichen Anlagen ist die Abkühlrate. Abkühlraten von bis zu 1000 K/s sind erforderlich, um die Gefügeentwicklung zu kontrollieren.

Gasabschreckung wird in kontinuierlichen Anlagen gegenüber einer Wasserquench aufgrund der Temperaturhomogenität und Prozessstabilität bevorzugt. Um hohe Abkühlraten zu erreichen werden Prallstrahlen eingesetzt. Der Wärmeübergangskoeffizient ist bei Verwendung von Stickstoff oder Luft auf ca. 80 K/(s∙mm) begrenzt. Höhere Abkühlraten können durch Veränderung der Prozessgaszusammensetzung oder des Atmosphärendruckes erreicht werden. Zur Untersuchung dieser Einflussfaktoren wurde am IOB ein Versuchsstand konstruiert und gefertigt.

In dieser Arbeit soll der Versuchsstand optimiert und in Betrieb genommen werden. Einer der wesentlichen Schritte ist die Auslegung und Implementierung einer Regelung mittels Matlab oder Labview. Anschließend soll eine Parameterstudie zur Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten bei verschiedenen Drücken durchgeführt werden.

PDF: Entwicklung und Implementierung einer Regelung am Glühsimulator zur Untersuchung des Wärmeübergangskoeffizienten bei verschiedenen Drücken

Kontakt: Schleupen / Büschgens

Arbeitsgruppe Hochtemperaturströmungen

letzte Aktualisierung: 25.01.2021

Experimentelle Untersuchung der thermischen Entlackung von Getränkedosen-Recyclingmaterial unter befeuchteter Atmosphäre

Die steigenden Energie- und Rohstoffkosten sowie wachsender Wettbewerbsdruck fordern eine stetige Optimierung der Produktivität sowie der Energie- und Ressourceneffizienz im Metallrecycling. Dafür müssen die Prozesse möglichst genau auf die Einsatzstoffe abgestimmt sein. Voraussetzung dafür ist eine genaue Kenntnis dieser Einsatzstoffe und ihr Verhalten unter realistischen Bedingungen. Bei der thermischen Entfernung von Lacken auf den Außen- und Innenseiten von Getränkedosen vor dem Einschmelzen ist hiermit in erster Linie die Atmosphäre aus feuchtigkeitsbeladenem Abgas gemeint. Diese Atmosphären resultieren aus der Verbrennung von Erdgas, welches zur Beheizung des Prozesses bereitgestellt wird.

Diverse Untersuchungen der Pyrolysegas-Emissionen von verschiedenen konventionell sowie auch neuartig lackierten Getränkedosen wurden in den letzten Jahren am IOB durchgeführt. Dadurch wurden die grundlegenden Phänomene der thermischen Entlackung geklärt. Als Ergänzung zu den grundlagenorientierten und unter idealisierten Bedingungen durchgeführten Untersuchungen soll im Rahmen dieser Arbeit die thermische Entlackung von Getränkedosen unter Gasatmosphären untersucht werden, die den Atmosphärenbedingungen in industriellen Anlagen zu verschiedenen Prozessphasen nachempfunden sind.

Diese Arbeit soll auf der einen Seite durch experimentelle Untersuchungen am IOB die gasförmigen Pyrolysegas-Emissionen von gebrauchten Getränkedosen (engl. „used beverage cans“, kurz UBCs) untersuchen. Auf der anderen Seite soll der Oberflächenzustand der Proben nach der thermischen Behandlung durch geeignete externe Untersuchungen (z.B. Totale Verbrennung und Trägergasmethode für die Bestimmung der verbleibenden C- und O-Massenbelegung) charakterisiert werden. Die Temperaturen bei dem zugrundeliegenden thermischen Entlackungsprozess am IOB erstrecken sich von Raumtemperatur bis ca. 625 °C. Übergeordnetes Ziel dieser Arbeit ist es, die Verbindung zwischen den unter idealisierten Atmosphärenbedingungen bereits erarbeiteten experimentellen Entlackungs-Ergebnissen und den unter realistischen Prozessatmosphären zu erarbeitenden experimentellen Ergebnissen dieser Arbeit herauszufinden. Besonderes Augenmerk soll dabei auf die Rolle der Feuchtigkeit in der Atmosphäre gelegt werden, die durch Dissoziation an Aluminiumoberflächen lokal Sauerstoff für Oxidationsvorgänge bereitstellen kann, obwohl die Prozessatmosphäre an sich keinen Sauerstoff in molekularer Form enthält.

PDF: Experimentelle Untersuchung der thermischen Entlackung von Getränkedosen-Recyclingmaterial unter befeuchteter Atmosphäre

Kontakt: Eickhoff

Experimentelle Untersuchung von Prallstrahlen mittels PIV mit einem Nd-YAG Laser

Die Particle Image Velocimetry (PIV) ist ein berührungsloses optisches Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeitsfeldern in der Strömungsmechanik. In kurzem zeitlichem Abstand werden Partikel im Fluid mit Hilfe einer CCD Kamera fotografiert. Diese werden dafür durch einen „Laser-Lichtschnitt“ gezielt belichtet. Aus den Bildern kann die Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit der Partikel mit Hilfe statistischer Korrelation bestimmt werden.

In dieser Arbeit soll die Geschwindigkeitsverteilung in Luft-Prallstrahlen mit Hilfe der PIV Methode untersucht werden. Prallstrahlen sind eine effektive Methode einen hohen Wärme- oder Stofftransport zwischen einer Oberfläche und einem Fluid zu erzeugen und werden vielfältig in industriellen Anwendungen genutzt. Ein konkretes Beispiel ist die gezielte Abkühlung metallischer Bänder. Hierfür werden anlagen- und anwendungsspezifische Düsenfelder zur Erzeugung von Prallstrahlen designt, um die steigenden Anforderungen moderner Werkstoffe zu erfüllen.

Für die Berechnung/Auslegung der Eigenschaften eines Düsenfeldes bzw. einzelner Prallstrahlen werden numerische Strömungssimulationen (CFD) verwendet. Hier muss häufig auf die Abbildung von Prallstrahlen durch vereinfachende Turbulenzmodelle zurückgegriffen werden, da diese auch in absehbarer Zeit nicht kosteneffizient durch sehr rechenaufwendige LES oder DNS Simulationen abgebildet werden können. Die Verwendung vereinfachter Modelle ist mit einem erhöhten Validierungsbedarf verbunden, um die Gültigkeitbereiche der Modelle zu erforschen und ggf. durch zusätzliche Modellentwicklungen zu verbessern.

In dieser Arbeit soll daher zum einen ein Versuchsstand entwickelt, konstruiert und aufgebaut werden, in dem verschiedene Prallstrahlfelder mittels der PIV untersucht werden können. Zum anderen sollen ausgewählte Prallstrahlen in dem Versuchsstand vermessen werden. In Kombination mit Wärmestrommessungen, welche auch am Institut durchgeführt werden, bilden diese Messungen eine solide Datenbasis für die Entwicklung, Modifizierung und Validierung numerischer Modelle. Im Anschluss an die Arbeit ist eine Hiwi-Tätigkeit gerne gesehen.

PDF: Experimentelle Untersuchung von Prallstrahlen mittels PIV mit einem Nd-YAG Laser

Kontakt: Schleupen / Schubert

Arbeitsgruppe Energie- und Stoffbilanzen

letzte Aktualisierung: 21.07.2021

Implementierung eines datenbasierten Proxy-Modells zur Berechnung der Reaktionschemie im Elektrolichtbogenofen

Simulationsmodelle werden regelmäßig eingesetzt, um industrielle Prozesse hinsichtlich ihrer Ressourceneffizienz oder Produktqualität zu untersuchen ohne kostspielige Industrieversuche durchführen zu müssen. Entsprechend ihrer realen Gegenstücke können die Modelle eine hohe Komplexität aufweisen, welche sich auch auf die benötigte Rechenzeit auswirkt. Eine lange Rechendauer schränkt die Nutzbarkeit von Simulationsmodellen in der Praxis jedoch stark ein. Eine Möglichkeit die Rechenzeit der Modelle zu verringern, liegt im Austausch besonders aufwendiger Methoden durch näherungsweise Berechnungsverfahren (Proxies). Geringfügige Abweichungen vom „tatsächlichen“ Ergebnis werden hierbei in Kauf genommen.

Die Grundlage der Arbeit bildet ein, am IOB entwickeltes, umfangreiches Simulationsmodell des Elektrolichtbogenofens. Im Modell sind mehrere Ansätze zur Lösung der Reaktionschemie mit unterschiedlicher Genauigkeit und Komplexität implementiert. Unabhängig vom Lösungsverfahren beansprucht die Berechnung der Chemie jedoch einen erheblichen Anteil der gesamten Rechenzeit. Bei der Durchführung von Parameterstudien oder Szenario-Analysen wird jedoch eine Vielzahl von Simulationsdurchläufen benötigt, welche oftmals exponentiell mit der Anzahl der untersuchten Parameter skaliert. Dementsprechend ist eine effiziente Berechnung essenziell für die praktische Anwendbarkeit des Modells.

Im Rahmen dieser Arbeit soll die Berechnung der Reaktionschemie daher durch ein datenbasiertes Proxy-Modell ergänzt werden. Hierzu müssen die bisherigen Lösungsverfahren hinsichtlich ihrer Eignung untersucht und ein entsprechendes Approximationsverfahren implementiert werden. Abschließend sollen die Simulationsergebnisse verglichen und der resultierende Fehler untersucht werden, um etwaige Grenzen für die Anwendbarkeit des Proxy-Modells festzulegen.

PDF: Implementierung eines datenbasierten Proxy-Modells zur Berechnung der Reaktionschemie im Elektrolichtbogenofen

Kontakt: Reimann

Versuche zum Einsatz von Agglomeraten aus metallurgischen Reststoffen im Elektrolichtbogenofen

Nebenprodukte und Reststoffe wie Schlacken, Stäube und Schlämme aus thermischen Prozessen sind 2016 in Deutschland in einer Größenordnung von 21,3 Mio. t angefallen. Die in den metallurgi­schen Prozessen der Metallerzeugung entstehenden Schlacken, Stäube und Schlämme werden heute überwiegend einer Nutzung zugeführt, sei es als Baustoff, für die metallurgische Kreislaufführung oder auch als Düngemittel. Dennoch gibt es Qualitäten, die derzeit aufgrund ihrer Zusammen­setzung und/oder physikalischen Eigenschaften schwer bis gar nicht wirtschaftlich genutzt, sondern deponiert werden müssen. Im Bereich der Stahler­zeugung betrifft dies beispielsweise 10,8 % der erzeugten Stahlwerkschlacken und etwa 20,3 % der Stäube und Schlämme. Hinzu kommen weitere, nicht unerhebliche Mengen aus anderen metallurgischen Bereichen wie Gießereien bzw. Herstellungs- und Aufbereitungsprozessen für Nichteisen-Metalle. Dadurch wird immer knapper werdender Deponieraum belegt und dem Wertstoffkreislauf gehen wertvolle Stoffe aufgrund der Deponierung dieser Materialien verloren. Eine Möglichkeit für den Wiedereinsatz staubförmiger Stoffe stellt die Agglomeration dar.

Diese Arbeit soll Möglichkeiten zum Wiedereinsatz von metallurgischen Reststoffen durch Pressagglomeration aufzeigen. Die Agglomeration von verschiedenen metallurgischen Reststoffen soll dazu im Labor des IOBs erprobt werden. Die erzeugten Agglomerate sollen anschließend im Pilot-Lichtbogenofen des IOBs eingesetzt werden, um Informationen über das Verhalten der Agglomerate in Interaktion mit der Schlacke und Schmelze zu gewinnen. Dabei sollen insbesondere das Aufschmelzverhalten aber auch der Einfluss auf Stahl- und Schlackenzusammensetzung betrachtet werden.

PDF: Versuche zum Einsatz von Agglomeraten aus metallurgischen Reststoffen im Elektrolichtbogenofen

Kontakt: Willms

Betrachtungen zum Einsatz von direkt reduziertem Eisen aus der Wasserstoffroute im Elektrolichtbogenofen

Aktuell gibt es zahlreiche Konzepte großer Stahlhersteller einen großen Teil der Stahlerzeugung von der Hochofen-Konverter-Route auf eine Direktreduktion-Lichtbogenofen-Route umzustellen. Ziel all dieser Konzepte ist es, einen Beitrag zur Dekarbonisierung der Stahlherstellung zu liefern. Dazu ist geplant, im Direktreduktionsverfahren Wasserstoff als Reduktionsmittel zu verwenden.

Auch derzeit gibt es bereits einige Länder, die einen großen Teil ihrer Stahlproduktion über die Direktreduktion-Lichtbogenofen-Route abdecken. Hier kommt allerdings bisher in der Regel Erdgas als Reduktionsmittel zum Einsatz. Zum Einschmelzen von direkt reduziertem Eisen (DRI) in Lichtbogenöfen liegen daher bereits viele Informationen vor. Welche Konsequenzen ergeben sich aber aus dem Wechsel von Erdgas zu Wasserstoff als Reduktionsmittel für die DRI-Eigenschaften und Qualität und das Einschmel-zen im Lichtbogenofen?

Diese Frage soll im Rahmen der Arbeit zunächst mit Hilfe einer Literaturrecherche betrachtet werden. Neben der Literatur zu den Direktreduktionsverfahren auf Erdgas- und Wasserstoffbasis (Midrex, Energiron, Circored, etc.) ist auch die Literatur zum Einschmelzen von DRI zu sichten. Ergänzt werden soll die Literaturstudie durch eine Recherche zu Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff und dem damit ver-bundenen Energiebedarf.

Im Analyseteil der Arbeit sollen mögliche Einflüsse sich ändernder Qualität von H2-DRI auf die Prozesse im Hochleistungslichtbogenofen betrachtet und diskutiert werden. Ebenfalls betrachtet werden soll der Gesamtenergiebedarf für die Direktreduktion-Lichtbogenofen-Route, wenn ein Großteil der deutschen oder europäischen Stahlproduktion auf diese Herstellungsroute umgestellt wird.

PDF: Betrachtungen zum Einsatz von direkt reduziertem Eisen aus der Wasserstoffroute im Elektrolichtbogenofen

Kontakt: Echterhof

Ökologische Untersuchung der Aluminium-, Stahl- und Bleiherstellung mithilfe vergleichender Ökobilanzen

Die Herstellungs- und Verarbeitungsmengen von Metall nehmen weltweit zu. Dies gilt insbesondere für die Produktion der Bau- und Konstruktionswerkstoffe Aluminium und Stahl, aber auch für die metallurgische Gewinnung von Blei, welches u.a. im Rahmen der Batterieherstellung eingesetzt wird. In Europa werden große Mengen an Energie und Ressourcen verbraucht, um jährlich Millionen Tonnen von Materialien zu produzieren. Insbesondere bei der Metallherstellung werden Abfälle aus Altgeräten recycelt und als Sekundärrohstoffe in den Prozessen verwendet. Die Verwendung von Schrott ist sowohl ökologisch als auch ökonomisch vorteilhaft, da sie die Erschöpfung natürlicher Ressourcen reduziert und Deponien mit Abfallstoffen vermeidet. Zudem werden die Energieverbräuche und CO2-Emissionen der Reduktionsprozesse von Metallerzen durch die Verwendung von recycelten Materialien als Ausgangsmaterial reduziert oder sogar ganz vermieden. Die Metallproduktionsanlagen sehen sich jedoch einer zunehmenden Variabilität der Material- und Energierohstoffe gegenüber.

Aus diesem Grund sollen im Rahmen dieser Arbeit die Produktionsrouten der Aluminium-, Stahl- und Bleiindustrie untersucht und ökologisch bewertet werden. Auf diese Weise können Prozessabläufe optimiert und Einsparpotenzial sichtbar gemacht werden. Dazu sollen ausgewählte Prozesse betrachtet und mittels einer Ökobilanz nach DIN ISO 14044 untersucht werden. Abschließend werden die methodologischen Ansätze der Ökobilanzierung in Bezug auf die drei Produktionsrouten gegenübergestellt und verglichen.

PDF: Ökologische Untersuchung der Aluminium-, Stahl- und Bleiherstellung mithilfe vergleichender Ökobilanzen

Kontakt: Reichel

Entwicklung statistischer Modelle zur Vorhersage der Schrottzusammensetzung für die Elektrostahlerzeugung

Die Schrottanalyse ist nach wie vor die große Unbekannte bei der schrottbasierten Herstellung von Stahl im Elektrolichtbogenofen. Auch wenn Schrott sortiert und klassifiziert wird, fehlt vielen Stahlwerken eine Schrottanalyse als Basis für metallurgische Berechnungen und Prozessmodelle. Ein möglicher Ansatz zur näherungsweisen Bestimmung der historischen Schrottzusammensetzung ist der Einsatz statistischer Verfahren auf der Basis von vorhandenen Chargendaten.

Im Rahmen dieser Arbeit sollen zunächst die bereits existierenden und publizierten Ansätze zur statistischen Bestimmung der Schrottzusammensetzung recherchiert und dargestellt werden.

In einem zweiten Schritt soll unter Verwendung von Chargendaten eines Elektrolichtbogenofens ein eigener/angepasster Ansatz entwickelt und getestet werden. Neben den statistischen Methoden sollen hier insbesondere auch Prozesswissen und ergänzende Daten aus Massenbilanzen in die Entwicklung eines Verfahrens zur Bestimmung der Schrottzusammensetzung einfließen.

Dabei soll ein Teil des Datensatzes für die Entwicklung des neuen Verfahrens und ein anderer Teil des Datensatzes für dessen Validierung verwendet werden. Die Vorhersagequalität des Verfahrens ist im Vergleich zu anderen Verfahren aus der Literatur kritisch zu bewerten.

PDF: Entwicklung statistischer Modelle zur Vorhersage der Schrottzusammensetzung für die Elektrostahlerzeugung

Kontakt: Echterhof

Energiewende am Lichtbogenofen

Neben der Hochofen-Konverter-Route stellt das Elektrostahlverfahren im Lichtbogenofen (LBO) die wichtigste Stahlerzeugungsroute dar. Das physikalische Verständnis des Einschmelzprozesses im LBO spielt für eine weitere energetische Optimierung eine wichtige Rolle. Modelle und Simulationen können dazu beitragen, Prozessabhängigkeiten zu untersuchen und zusammenhänge besser zu verstehen.

Grundlage der Arbeit ist ein am IOB entwickeltes Prozessmodell für den Lichtbogenofenprozess. Es liegen Messwerte von einem industriellen LBO vor, die zur Erstellung von Fahrdiagrammen für die Simulation und zur Validierung der berechneten Ergebnisse dienen. Darüber hinaus können Fahrdiagramme für verschiedene Szenarien selbst erstellt und mit dem Modell simuliert werden.

Im Kontext der Energiewende nehmen Preisschwankungen für die verschiedenen am LBO eingesetzten Energieträger (Strom, Erdgas, Kohle, Sauerstoff) zu. Gleichzeitig kann die Bereitstellung von Regelleistung im Stromnetz zusätzlich vergütet werden und gegebenenfalls müssen zusätzliche Kosten durch CO2 Zertifikate berücksichtigt werden. Im Rahmen der Arbeit sollen zunächst durch eine Literaturrecherche und einfache Beispielrechnungen die prozessbedingten Grenzen für den Einsatz der verschiedenen Energieträger am LBO und die dabei anfallenden Kosten abgeschätzt werden. Basierend darauf sollen Szenarien und Fahrdiagramme entwickelt und durch das Modell auf ihre Eignung geprüft werden. Somit soll bestimmt werden, welche Eingriffe in den Prozess möglich sind um die verschiedenen Energieträger flexibler einzusetzen und teilweise zu substituieren um auf kurzfristige Preisänderungen zu reagieren. Außerdem soll abgeschätzt werden, welche ökonomischen und ökologischen Auswirkungen dadurch entstehen.

PDF: Energiewende am Lichtbogenofen

Kontakt: Hay

Validierung und Optimierung eines Elektrolichtbogenofen Prozessmodells anhand realer Prozessdaten

Neben der Hochofen-Konverter-Route stellt das Elektrostahlverfahren im Lichtbogenofen (LBO) die wichtigste Stahlerzeugungsroute dar. Das physikalische Verständnis des Einschmelzprozesses im LBO spielt für eine weitere energetische Optimierung eine wichtige Rolle. Modelle und Simulationen können dazu beitragen, Prozessabhängigkeiten zu untersuchen und Zusammenhänge besser zu verstehen.

Grundlage der Arbeit ist ein am IOB entwickeltes Prozessmodell für den Lichtbogenofenprozess. Es liegen Messwerte von einem industriellen LBO vor, die zur Erstellung von Fahrdiagrammen für die Simulation und zur Validierung der berechneten Ergebnisse dienen. Im Rahmen eines laufenden Forschungsprojektes werden Daten von zwei weiteren Stahlwerken zur Verfügung gestellt.

Diese Messdaten sollen im Rahmen der Arbeit aufbereitet und in das Modell integriert werden. Gegebenenfalls müssen dazu auch Anpassungen an der Modellierung vorgenommen werden. Die vom Modell errechneten Ergebnisse sollen mit Messungen verglichen und interpretiert werden. Anhand der erzielten Ergebnisse sollen Vorschläge zur Verbesserung des Prozessmodells erarbeitet werden.

PDF: Validierung und Optimierung eines Elektrolichtbogenofen Prozessmodells anhand realer Prozessdaten

Kontakt: Hay